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随着煤炭开采深度的逐步增加和水电工程、交通工程的大规模建设,复杂条件下的岩体工程越来越多,岩体锚固理论与技术遇到了极大的挑战,出现了许多问题。首先,回顾了岩体锚固技术产生、发展的历程,从锚固提高岩体整体物理力学性能方面,介绍了岩体锚固机理研究的进展情况;其次,详细讨论了锚固界面失效形式及界面应力传递的相关理论;最后,指出考虑时间效应的锚固流变机理应是今后深部岩体工程研究的重点方向。
围绕深部复杂软岩巷道稳定性控制研究中存在的主要问题,在软岩巷道的变形破坏特征、围岩的变形破坏机理以及深部软岩巷道的稳定性控制等方面进行了系统而全面的研究。基于对深部复杂软岩巷道变形破坏特征与围岩变形破坏机理的研究成果,分别采用"三锚"联合支护技术、"长短锚"联合支护技术以及抗让结合的支护理念,研究确定了深部复杂软岩巷道稳定性控制的合理支护方案。监测数据和分析结果表明,所确定的软岩巷道的稳定性控制方案是合理、有效的,可以保证深部复杂软岩巷道的长期稳定性。
研究矿房矿柱在上覆岩层荷载作用下的长期稳定性对于保证石膏矿安全生产具有重要意义。运用FLAC3D软件粘弹塑性本构模型(cvisc模型),对石膏矿房矿柱的长期稳定性进行了数值模拟研究。结果表明:巷道开挖后,顶底板移近量随着时间的延长而增加,最终趋于稳定;模拟10年内矿房顶底板移近量最大达到185.368 mm,两帮最大达到67.734 mm,但整体来说矿房变形量相对较小;模拟矿柱所受最大垂直应力,计算得到矿柱安全系数为1.84;矿房矿柱能够保持长期稳定。研究结果对类似条件下矿房矿柱的合理设计和稳定性分析具有重要指导意义。
针对不同力学特性的岩土体材料,基于现有的商业数值分析软件进行本构模型的二次开发,可以更为科学地模拟工程实际问题。根据FLAC3D提供的程序接口,以广义Kelvin模型为例,探讨了粘弹性模型开发的基本原理,同时给出了程序代码编写中的几个关键函数,并通过圆柱体的压缩试验对自定义本构模型进行验证。结果表明,试验曲线与广义Kelvin模型模拟曲线相吻合,验证了文中采用的开发思路是正确的,可为其他本构模型的开发提供参考。
针对我国目前"三下"压煤的现状和煤矿采掘产生的以煤矸石为主的固体废弃物的治理情况,系统介绍了充填法开采技术的发展历程、充填体的作用机理及影响因素;同时针对目前我国城市垃圾处理的现状,提出了袋装充填及城市垃圾充填方式。实施城市垃圾充填与采空区治理相结合,比传统的填埋、堆肥、焚烧处理垃圾方式,更有助于城市垃圾的规模化处理。充填法开采不仅带来工程实践意义的革新,而且实现了矿井的"掘"、"采"、"处"三元开采模式,其科学和工程意义重大。
对当前两大环境问题(矿山地表沉陷和城市垃圾)所造成的危害进行了分析研究,根据城市垃圾处理和矿山充填开采研究现状,对当前利用城市垃圾充填煤矿采空区控制地表沉陷技术进行分析,提出其今后的研究重点:城市垃圾压缩及其固化性能关键技术,利用城市垃圾充填煤矿采空区的充填工艺设计,充填设备研究与开发,以及如何采取科学有效的手段防止垃圾充填可能造成的各种危害。
应用地球物理方法对断层进行定位并查明其导水性对煤矿安全生产具有重要意义。EH4电磁成像方法是CSAMT和MT的结合体,具有轻便、灵活、分辨率高等优势。通过在山东新宏煤矿进行断层定位及导水性探测,说明EH4电磁方法在确定断层的位置、落差及导水性方面具有较大优势。
矿山开采沉陷是一种作用力集中、危害很大的地质灾害。它受地质条件和采矿条件等因素的影响,属于复杂的非线性力学问题,难以用数学模型描述,这给实际问题的解决带来困难。基于突变理论,研究了突变级数法在矿区地表开采沉陷损害等级预测中的应用。选取了某开采沉陷区的10个点作为样点,通过分析采空区长度、采空区宽度、开采深厚比、煤层厚度和煤层倾角等5个主要影响因素,确定预测指标体系,计算了各学习样本突变级数值。结果表明,该区开采沉陷损害A级与B级的突变级数临界值为0.91,B级与C级的突变级数临界值为0.85。利用检验样本对突变级数法的计算结果进行验证,结果和实测值基本一致,从而证明突变级数法对地表开采沉陷损害等级预测的可行性和实用性。
为研究孤岛煤柱膏体充填开采覆岩运动规律,对岱庄煤矿2351膏体充填工作面支架压力进行了实际观测和分析。由于周围工作面回采结束时间较长,采空区内覆岩跨落后已经基本稳定。该工作面充填开采顶板初次来压步距为33.6 m,监测到的前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.79、m。膏体充填条带煤柱开采采场与覆岩结构的特殊性决定了第一个周期来压步距相对较大。由于三面采空,虽然采用膏体充填采空区支撑上覆岩层,工作面顶板及其上覆岩层的断裂和下沉仍然十分显著。充填膏体的支撑作用使采场宏观矿压显现不明显,但三面的采空导致支架上的工作阻力较大,在推采停顿时间较长时矿压显现尤为明显。
以济三煤矿6303工作面地质条件为背景,进行了断层冲击矿压相似模拟试验研究。利用TDS-6微震采集系统记录了试验过程微震信号,通过对微震信号频谱分析,并结合采动过程中矿压显现特征,总结提炼出断层滑移失稳微震信号的重要波形特征。试验结果表明:采动作用可诱发断层滑移失稳,如果断层围岩系统处于临界应力状态,则很小的扰动就能引起断层滑移失稳。冲击震动波传播遇到断层等不连续面时发生反射、折射,震动波部分或者完全不能穿过断层,导致在断层的另一盘监测不到震动信号。而断层滑移失稳是断层两盘发生的突然相对错动。因此,断层两盘是否监测到明显的震动信号,可以作为断层发生活化的判据。这一结论对于利用微震监测系统监测预报断层冲击矿压具有一定的借鉴意义。
星村煤矿深部冲击矿压危险问题突出。分析了E3101里面两集中巷冲击矿压危险性及影响因素,提出了冲击矿压防治方案:首先采用微震区域性监测、电磁辐射局部危险性监测及钻屑法进行冲击矿压危险性监测,其次依据冲击矿压的强度弱化减冲原理,采用钻孔卸压、煤体爆破等软化煤体手段解除冲击矿压危险,最后根据"强弱强"理论对已卸压的巷道形成高强度支护体系,制定并落实危险区域应急救援预案。实践证明,通过多种冲击矿压危险监测、预测预报与冲击矿压解危技术、深井支护技术的综合应用,在一定程度上可以控制深部矿井开采中的冲击矿压灾害。
华丰煤矿是我国冲击地压灾害最严重的矿井之一,随着开采深度的增加,冲击地压越来越严重地威胁着矿井安全生产。因此,采用微地震监测技术,结合覆岩空间结构理论,进行冲击地压预测预报与防治成套技术研究非常有意义。通过研制微地震数据处理软件,实现了微地震监测结果的可视化,并能对微地震监测结果进行及时处理;通过采场覆岩空间结构运动和关键层运动诱发冲击地压的机理研究,找到了冲击地压监测预警新技术。实践应用证明,该套技术能成功地预报大型冲击地压,以便及时采取卸压和防护措施,保证矿井安全,取得了显著的社会经济效益。
以鲁西矿3煤重复采动为研究背景,采用现场实测和数值模拟的方法对厚煤层重复采动条件下的覆岩破裂规律进行了研究。结果表明,覆岩裂隙带发育高度随着采空区形成时间的增加而降低;上分层开采后裂隙带发育高度为34.73 m,裂高采厚比为15.1,与上分层相比,下分层开采导致的裂隙带发育高度增加为41.51 m,但趋势变弱,裂高采厚比仅为13.84;数值模拟最终裂隙带发育高度为39.4 m,与实测结果吻合较好。研究结果对于类似厚煤层重复采动条件下的覆岩破裂规律预测和合理提高安全开采上限具有重要指导意义。
里彦煤矿15上、16上、17煤回采巷道直接顶板普遍为灰岩,而且灰岩的厚度不一,为了最大限度地发挥灰岩的高承载能力,降低巷道的支护成本,提高矿井的生产效益,对17304沿空顺槽不同灰岩厚度的围岩进行了矿压观测,得出了17304沿空顺槽的围岩变形规律及特点,为不同灰岩条件下沿空巷道的合理支护设计提供了依据。
随着煤矿采掘机械化程度的不断提高,矿井的开采方法和采煤工艺向着高效、集约化生产的方向发展,产尘量大大增加,严重威胁着我国煤矿的安全高效生产和作业人员的身心健康。总结了目前国内外煤矿采掘工作面喷雾降尘、化学除尘、空气幕隔尘和除尘器除尘等粉尘防治技术的研究和应用状况,探讨了粉尘防治技术在该领域的发展趋势,期望为采掘工作面的粉尘防治提供多种方法和手段。
我国近年来煤矿重特大事故频发,2005—2010年,仅一次死亡30人以上的特别重大煤矿事故就发生了40余起,给我国国民经济和国际声誉造成了很大影响。依据国家煤矿安全生产监督管理局事故统计数据,根据煤矿事故致害原因类别不同,选取2005—2010年间发生的典型煤矿重特大事故案例34起,统计各起事故发生原因,并分析事故发生机理,从新的视觉角度创新性地提出了煤矿事故人失误致因模型,对模型进行了合理并有效的分析,并据此提出了符合我国国情的研发、管理、执法三类团队建设的安全管理新思路,研究成果为减少我国煤矿事故的发生及煤炭行业安全的管理提供了依据。
矸石山是煤矿区长期无序堆积的产物,稳定性极差,遇到不利条件时易发生滑坡,从而产生严重的地质灾害。由于矸石散体物理力学参数存在较大的变异性和模糊性,若采用传统的安全系数法进行稳定性分析则会存在一定风险。基于可靠度理论和模糊分析理论,提出了一种更加符合矸石山客观实际的模糊点估计可靠性分析方法,并运用该方法对重庆松藻矿区某煤矿矸石山的可靠性进行了分析。结果表明,该矸石山发生边坡破坏的可能性较大。
针对淄博矿业集团岱庄煤矿4321工作面两顺槽实际揭露煤层最大厚度5.5 m,最小厚度1.60 m,局部煤厚4 m以上,煤层平均厚度为3.82 m的特点,为最大限度地回收煤炭资源,根据《煤矿安全规程》和《关于淄博矿务局岱庄煤矿北翼采区3煤提高开采上限的批复》的要求,结合4321工作面基岩厚度、第四系底界粘土隔水层厚度、工作面受水威胁情况,把4321工作面回采分为五个块段:第一、三、五块段采用综采一次采全高,第二块段采用综采放顶煤开采,第四块段采用限厚综采。一个工作面内根据煤层情况分别采用不同的采煤方法,对倡导节约型社会来说,经济效益和社会效益都是十分巨大的。
针对太平煤矿面临的村庄压煤和提高开采上限的问题,结合目前膏体充填技术及煤矿实际开采情况,按照压煤开采规程的要求,对厚煤层开采膏体充填工艺进行了试验研究。详细阐述了膏体充填原料选择、配比、工艺系统设计、充填流程等具体内容,并通过地表沉陷观测及其结果分析,论证了膏体充填开采的可行性,验证了膏体充填开采带来的显著效果,为压覆煤炭资源的开采提供了技术参考。